基于催化燃燒的應急取暖器的研發(fā)綜述

劉千匯 王鋼 王歡 王秋爽 張建偉

摘要：隨著社會的發(fā)展，人類對于生活環(huán)境舒適度的要求也在逐步提升，但室內供暖方式仍然存在不足。尤其在戰(zhàn)疫期間，建筑室內供暖體系依然有待提升，傳染病醫(yī)院內為避免病毒通過中央空調傳播導致供暖系統(tǒng)停用;多個嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)在室外開展了全民核酸檢測，無法保證人的正常生理活動等等。因此，為了人類能夠生活在更好的、舒適的環(huán)境中，研發(fā)一種可作為無電應急熱源、同時滿足室內清潔度和人體舒適度且節(jié)能環(huán)保的便攜移動取暖器在國內外都成為了熱點問題。

關鍵詞：催化燃燒;應急取暖器;供暖;無焰燃燒

前言：

隨著社會與科學技術的發(fā)展、人們生活水平的不斷提高與需求的增長人們對于經(jīng)濟和環(huán)保方面的要求也不斷增加。催化燃燒自然而然地走進了大眾的視野并被廣泛應用在人們的生活中。催化燃燒與直接燃燒相比具有起燃溫度低、節(jié)約能源、污染少、操作安全等諸多優(yōu)勢是一種對環(huán)境有好的資源利用方式，現(xiàn)已逐步用于工業(yè)化設施當中。1973年我國開始使用催化燃燒技術處理有機廢氣。我國相對于國外催化燃燒技術的使用起步較晚但在此之后我國催化燃燒相關技術一直在不斷地進步。催化燃燒技術也越來越成熟并用于生活中。催化燃燒技術也需要繼續(xù)研究更加先進，使這種技術得到普及，這樣環(huán)境污染問題也會得到改善。當某些突發(fā)性的自然災害如地震、洪澇、暴雪等給人們生活帶來極大危害的情況發(fā)生時或面對突然來臨的疫情而建立的方艙醫(yī)院，在天氣寒冷且電力供應不足時，人們應該如何擁有快速且有效取暖設施則是一個重要的問題。這時采用催化燃燒方式的應急取暖器則會為人們的取暖方面提供極大的幫助，可以及時的幫助人們擁有一個溫暖的環(huán)境?；诖呋紵膽比∨饕哺拥木G色環(huán)保也更加安全。而取暖器除了需要滿足人們的對于取暖的需求外也需要考慮人們在使用此類取暖器時熱舒適性的相關問題。

1.催化燃燒技術的歷史發(fā)展

通過資料，我們了解到催化燃燒技術是在較低的溫度下，使燃料達到燃燒閾值，從而進行燃燒，其對于燃燒進程的改善、燃燒反應溫度的控制、對燃燒過程中形成的污染物抑制等方面有著至關重要的作用。我國對催化燃燒的概念引進最先要追溯到以發(fā)酵方法的釀造工藝，代表著人類最先利用生物催化的開始。18世紀，對催化劑的研究逐漸形成。在1740年，英國醫(yī)生Ward，J.用硫磺和硝石（硝酸鉀）一起燃燒制硫酸;19世紀中旬，“催化”和“催化劑”的概念被貝采尼烏斯（J.J.Berzelius）首次提出，標志著催化的研究和觀察正式進入系統(tǒng)研究。隨著研究的深入，奧斯特瓦爾德（W.Ostwald）推斷出“在可逆反應中，催化劑會加速反應的進程，但不影響反應平衡”由此將催化燃燒推進了更高的臺階。

而催化燃燒與應急安全相結合的理念至今在國內外的研究較少，亟待進一步提高。杜娟、田成文[1]的催化燃燒技術研究中，在對催化燃燒技術研究基礎上，重點介紹了該技術在國內外工業(yè)和各大類工業(yè)企業(yè)及智能應急家居的各項應用。將應急處置技術與環(huán)境友好發(fā)展緊密結合，使催化劑燃燒更好的實現(xiàn)在節(jié)能、低碳、環(huán)保的發(fā)展產(chǎn)業(yè)之中。龐小峰[2]將ATP分子的水解釋放能量傳遞應用到生物學研究中，通過哈密頓化模型，和量子模型求出其振動能譜，最后將生物能量蛋白質分子的傳遞與生物組織的健康生長相結合，體現(xiàn)出了利用非生物的熱效應在催化方向的生物醫(yī)療功能。

綜合來看，采用貴金屬催化劑的應急取暖器，有著高效節(jié)能、安全衛(wèi)生等優(yōu)點，所采用的貴金屬催化劑各項指標均達到了國際水平。用于新冠疫情等重大突發(fā)事件發(fā)生時，與傳統(tǒng)供暖方式相比較，它具備獨立供暖、無需安裝，采用輻射加熱，升溫更加的平穩(wěn)、迅速。使用催化燃燒不產(chǎn)生明火，更加符合國家的節(jié)能減排政策，同時由于采用催化燃燒，相比傳統(tǒng)的燃氣供暖方式更加的安全且不會由于集中的空調供暖在醫(yī)院等特殊環(huán)境中造成交叉感染，能為病人提供更加舒適的室內熱環(huán)境、更加潔凈的空氣環(huán)境和安全病房的需求。

但是，目前的應急取暖器任然存在以下問題：

其一：在工作時其表面溫度不均勻，表面溫差過大。經(jīng)檢測，取暖器的發(fā)光板的不同位置上溫差過大，這也就意味著取暖器的實際的供熱面積遠大于有效的供熱面積。

其二：使用時頻繁的更換燃氣瓶，影響使用，且易造成安全問題。同時通過實驗過程中反饋的數(shù)據(jù)分析，當燃氣瓶壁溫處于-5.2℃時，發(fā)光板上下溫差為0，但是隨著使用溫差急劇升高，因此證明了現(xiàn)階段應急取暖器不適用于我國所有的氣候區(qū)使用。

其三：不可用于封閉環(huán)境中。從理論分析上可知，在催化燃燒的反應中當不存在TVOC等物質，但通過實驗測量分析，在使用后會產(chǎn)生超量的TVOC和CO?對人體產(chǎn)生危害且與理論分析的結論不服。因此需要確認物質的來源。

其四：由于追求便攜性而導致了有效供暖面積不符合人體的生理需求，導致當設備處于低溫環(huán)境時給人體的熱感覺與熱舒適度不達標，不及傳統(tǒng)的電取暖。

2.催化燃燒技術的現(xiàn)狀

新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）2019年12月在湖北省武漢市發(fā)現(xiàn)，很快在國內傳播流行。方艙醫(yī)院在新冠疫情的防控方面發(fā)揮了重要的作用。但是隨著病毒的不斷變異，其傳播率也更大。傳統(tǒng)中央空調采暖設備存在交叉感染的風險。因此催化燃燒取暖器的研發(fā)更加具有價值。

目前較為常見的燃燒方式有：直接燃燒，多孔介質燃燒，催化燃燒，多孔介質催化燃燒，后三者燃燒效率較高，污染少，熱效率高。而對于燃料來說，燃料純度越高，燃燒越好。比如甲烷在和空氣在多孔介質燃燒中燃燒時，可以達到80%燃燒效率，但要是再加入氫氣，甚至會達到90%以上，甚至99%。燃燒器的形狀也是導致燃燒效率不同的關鍵，合理的燃燒器形狀的設計可能會有40%左右的偏差。

催化燃燒在我國已經(jīng)應用在多種領域之中，如本項技術應用于家用熱水器之中已經(jīng)實現(xiàn);以及在汽車及其他機動車領域也得到了發(fā)展，大大降低了汽車尾氣中污染物的排放降低了溫室效應。

由此可以看出，此種類型的加熱方式有如下優(yōu)勢：1.在方艙醫(yī)院類應急場所能夠發(fā)揮最大的優(yōu)勢，為突發(fā)情況提供更加便利、更加有效的取暖方式。2.響應國家“碳達峰”、“碳中和”的號召，實現(xiàn)了天然氣的高效利用且不對環(huán)境造成污染，該項技術被認為是最有效的途徑。3.在無電或缺電條件下依然可以正常燃燒對于應急情況下有著重要作用。4.可以應用于單兵作戰(zhàn)環(huán)境中，為我國國防建設貢獻力量。5.采用的無焰燃燒避免產(chǎn)生明火，大大降低了火災隱患提高了安全性能。

上世紀70年代外國學者Pfefferle[3]將兩種反應產(chǎn)生的現(xiàn)象相結合，提出了催化燃燒的概念。外國眾多學者同時對空氣在貴金屬催化劑中的反應進行了研究，借助實驗等多種方法得出，反應無CO、NOX以及CH4污染氣體的排放，是一種清潔燃燒的方式。燃氣催化燃燒紅外加熱技術在加熱領域已有較多的研究和應用實例。早在1916年，法國就成功開發(fā)了催化紅外加熱裝置應用于飛機發(fā)動機[4]。1999年，Vulcan Catalytic Systems公司將其用于塑料制品的熱成型[5]，Advanced Catalyst Systems公司將天然氣通過催化燃燒紅外輻射技術應用于制造家用烤爐和加熱器。紅外輻射采暖系統(tǒng)由美國先推出，到目前為止，在美國、加拿大、澳大利亞等國家廣泛使用。

我國學者也利用紅外輻射加熱與熱風循環(huán)兩者相結合的方式，對涂層進行烘干固化。國內首家燃氣輻射自主品牌為山東東旭熱能工程科技有限發(fā)展公司，公司成立于2010，此前紅外輻射采暖系統(tǒng)一直由國外知名大企業(yè)壟斷經(jīng)營生產(chǎn)。雖然近幾年國內紅外輻射采暖技術有所發(fā)展，但燃氣催化紅外加熱技術多被設計用于大空間建筑采暖，因其安裝條件及使用場所限制，不能將現(xiàn)有設備簡單用于方艙醫(yī)院等應急場所。燃氣催化燃燒紅外加熱器具有其獨特的優(yōu)點，如溫度響應快、熱效率高、耗電量少等，這使得燃氣紅外供暖可簡單有效的用于冬季傳染病類醫(yī)院的采暖。同時，以燃氣催化燃燒紅外加熱技術為依托，專門設計用于應急場所的分布式取暖設備，在國內尚未出現(xiàn)，應急場所采暖成為紅外供暖的又一極具潛力的發(fā)展方向。

3.催化燃燒技術的未來展望

根據(jù)目前技術的進展以及待解決的問題，在未來上存在以下幾個方面亟待研究：1.應急取暖器發(fā)光板表面溫度不均勻，這可能與生產(chǎn)工藝、安裝方式、燃氣的管路設計和排列方式有關。供暖的基礎是發(fā)熱體的表面應該熱量分布均勻，分析及排除問題將有助于取暖器的優(yōu)化。2.應急取暖器在燃氣供應充足的條件下可以滿足基礎供暖，但在低溫環(huán)境條件下液化氣將不再適用該設備因此，因此在接下來的研究中，除優(yōu)化取暖器本身構造外，還要優(yōu)化取暖器的燃氣供應使其滿足我國的各大氣候區(qū)不同的氣候條件也使其更加的安全。3.當前應急取暖器的發(fā)光板面積過小導致測試人舒適度降低，但增大發(fā)光板的面積勢必會導致供氣均勻性、燃燒產(chǎn)物的排放等一系列問題。因此，研究發(fā)光板內部傳熱傳質原理，將供氣量、供氣速度、氣路走勢、發(fā)光板面積和溫度量化是解決該問題的方法之一。4.在實測中，未能考慮到我國廣大的氣候區(qū)以及相差過大的氣候條件，因此為探究應急取暖器的普及性和廣泛性。應追加中國不同氣候區(qū)的測量，并增加不同年齡段、不同工作環(huán)境的測試。

參考文獻：

[1]杜娟、田成文、范慶偉.催化燃燒技術研究進展及其應用

[2]龐小峰.生命體吸收的紅外光的非熱生物效應的研究

[3]L. D. Pefrrerie， W. C. Pefeffrie. Catalysis in combustion [J]. Catalysis Reviews-Science and Engineering， 1987， 29 （2-3）： 219-267.

[4]Andrey J. Zarur，Jackie Y. Ying. Reverse microemulsion synthesis of nanostructured complex oxides for catalytic combustion[J]. Nature Publishing Group UK，2000，403（6765）.

[5]Marcus F. M. Zwinkels，? Sven G. Jar?s，? P. Govind Menon， et al. Catalytic Materials for High-Temperature Combustion[J]. Catalysis reviews. Science and engineering， 1993， 35（3）：319-358.

作者簡介：

劉千匯（2001-），女，漢族，吉林通化人，吉林建筑大學本科在讀，建環(huán)方向。

基金項目：

2021年吉林省大學生實踐創(chuàng)新訓練項目“基于催化燃燒的應急取暖器的研發(fā)及其熱舒適研究”（202110191126）。